CN112928845A - 精确驱动无刷电机和驱动器电路 - Google Patents

精确驱动无刷电机和驱动器电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供精确驱动无刷电机和驱动器电路，与传统的无刷电机往往采用与相数相同数目的位置传感器不同，本发明采用与驱动状态相同数目的位置传感器，准确感知转子的磁极位置，以实现精确驱动。无刷电机定子线圈采用星形连接其绕组绕制方式主要采用同一相绕组的线圈是在单个电枢齿的相邻二个齿槽间绕制，使转子在每个状态驱动时转动单个电枢齿位置，然后再进行下一状态驱动，以逐状态给二相线圈通电的驱动方式去驱动转子旋转，提高了电能的驱动效率。与传统的脉宽调制采用的改变占空比以调节转速方式不同，本发明采用转速调节与脉宽调制分开的方式，采用高占空比的固定脉宽，由改变转速脉冲频率的方式调节转速，使之具有转速大范围保持大转距的特点并同时实现了高的电能驱动效率。本发明也可用于对于跨齿槽间绕制的电机。可广泛应用于新能源电动车。

Description

精确驱动无刷电机和驱动器电路
本发明公开了精确驱动无刷电机和驱动器电路，包括无刷电机和无刷电机驱动器电路。
技术领域
本发明涉及无刷电机和无刷电机驱动器电路技术领域。
背景技术：
无刷电机由电机主体和驱动电路组成，是一种典型的机电一体化产品。
在新能源电动汽车中广泛采用无刷电机，它的功率大小直接影响电动汽车的驱动能力，如何提高无刷电机的功率也成为重要的因素。提高绕组线圈的使用率是提高无刷电机功率的有效方式。同时传统的改变调制脉冲宽度来实现改变转速的方式在无刷电机处于低转速时因供给能量少而使电机转矩下降，使低速时性能变差。为提高新能源电动汽车驱动能力和改善无刷电机低转速时的性能就必须对无刷电机绕组进行精确的驱动和改进驱动方式并提高绕组线圈的使用率，以提高驱动功率和实现高转矩和大功率的动力输出。
发明内容
本发明提供精确驱动无刷电机和驱动器电路，在这无刷电机内，在吸引驱动模式时是将位置传感器位于驱动线圈的前方，位置传感器给出信号后由驱动器给该位置传感器后面的这相线圈通电产生与位置传感器下的转子磁极相异的磁极从而吸引转子转向该相线圈位置，由此再到下一相线圈位置，从而驱动转子旋转；在排斥驱动模式时是将位置传感器位于驱动线圈的后方，位置传感器给出信号后由驱动器给该位置传感器前面的这相线圈通电产生与位置传感器下的转子磁极相同的磁极从而推斥转子转离该相线圈位置，由此驱动转子旋转，同理再转到下一相线圈位置。在每次驱动时只驱动二相线圈以求得良好的效率和功率来驱动转子。由于每次的驱动使转子只转动一个齿槽位，具有转距脉动小。由于转子用多磁极对，驱动电路对全部南极和北极都同时产生作用力，使其具有转速大范围转矩大的特点。
在本发明的无刷电机中，因定子上同一相绕组的相邻二个线圈绕向相反，驱动电流流经相绕组时该相绕组的相邻二个线圈的电枢齿分别产生南极和北极，对转子的南极和北极都同时进行驱动，同时在本发明的驱动器电路中，在同一绕组的下一个驱动周期时对驱动电流方向进行了换向，使得同一绕组同一电枢齿的相邻二个驱动周期分别产生南极和北极，对转子的南极和北极仍然都同时进行驱动，增大了转矩，每一个驱动时刻驱动其中二相绕组，提高了绕组利用率和增大功率。并且其PWM脉宽调制可调节使其一直处于高占空比状态，转速的调节由另外的驱动脉冲提供，而不是通常的PWM脉宽调速，PWM脉宽调制脉冲在各个转速上都保持较高的占空比，从而使其具有高效率和转速大范围保持高转距的特点，并可以在速度保持基本不变而转矩可以减小的情况下减小脉宽而进一步节约电能。
本发明的无刷电机绕组的转子在内转子结构时是在绕有线圈的外定子内的径向充有永磁性的圆柱体磁性材料圆柱，该圆柱也可据制造工艺采用在圆柱形导磁体上镶嵌永磁体的方式构成，该圆柱体磁性材料可以是实心的也可以是空心的；在外转子结构时是在绕有线圈的内定子外的径向充有永磁性的圆环状磁性材料圆环，也可据制造工艺采用在圆环形物体上固定永磁体等方式构成。
本发明的无刷电机转子驱动方式是对定子线圈给二相线圈顺序通电，驱动转子转动一个齿位，再给下二相线圈通电，驱动转子又转动一个齿位，如此往复，从而构成转子的旋转，并且每次驱动都驱动转子上的全部南极和北极。
本发明的无刷电机的驱动电路由可调控制转速的脉冲振荡器，相序产生器，PWM脉宽调制器，占空比调节器，用于比较传感器信号和相序信号的与门，和带动各相绕组线圈的桥式功率驱动器(一般是大功率MOS管或者IGBT复合全控型电压驱动式功率半导体器件模块)构成。
附图说明
图1是本发明的无刷电机结构示意图(以内转子三相8磁极，24槽为例)，M1是定子电枢，M2是内转子，1到24是定子的电枢齿，H1，H2，H3，H4，H5，H6是位置传感器，U+和U-分别是U相绕组的起始端，V+和V-分别是V相绕组的起始端，W+和W-分别是W相绕组的起始端，为清晰起见，只图示了各相绕组线圈绕向的结构示意，外侧是绕组U的绕向和起始点，中间是绕组V的绕向和起始点，内层是绕组W的绕向和起始点，这是跨槽绕制，每一个绕组的相邻俩个线圈绕向相反，如线上箭头所示，三组绕组的另一端在电机内部相连接。H1，H2，H3，H4，H5，H6是磁性位置传感器。
图2到图7是本发明的在六个驱动状态时的定子线圈通电方式和转子位置变化的示意图(以内转子三相8磁极，24槽为例)，转子内S1到S4是转子的四个南极，N1到N4是转子的四个北极；转子和定子之间的S和N分别是定子上该电枢齿在该驱动状态时产生的南极和北极，电机定子外引线上的箭头表示在这驱动状态时的电流流向。
图8为本发明的驱动电路的示意图(以三相驱动为例，对于N相电机可按此方式增加驱动相数)SW1是转动/停止开关。
图9为本发明的功率驱动器电路示意图(以三相驱动为例，对于N相电机可按此增加驱动相数)。
图10为本发明的是磁性位置传感器切换电路，SW2是转向切换开关，用于控制转子的转向。
具体实施方式
本发明提供精确驱动无刷电机和其驱动电路，由磁性异性相吸，同性相斥原理，在吸引力转动方式时在无刷电机内将位置传感器位于驱动线圈的前方，位置传感器给出信号后由驱动器给该位置传感器前面的这相线圈通电产生磁力吸引转子转向该相线圈位置，由此再到下一相线圈位置，从而驱动转子旋转。在推斥力转动方式时在无刷电机内将位置传感器位于驱动线圈的后方，位置传感器给出信号后由驱动器给该位置传感器后面的这相线圈通电产生磁力推斥转子转离该相线圈位置，由此再到下一相线圈位置，从而驱动转子旋转。在每次驱动时驱动二相线圈以求得良好的功率驱动转子，并且具有转距脉动小，转速大范围转矩大的特点，并且在正反转时可以增加电子开关以切换不同物理位置的传感器，使正反转都有相同的性能。
本发明的无刷电机定子槽数等于永磁转子南北磁极的数量乘相数。以三相绕组，四对8极为例，槽数等于3相乘8极为24槽；如果采用六对12极，就为36槽。
本发明的无刷电机绕组的定子线圈的绕制方式是跨电枢齿绕制方式，并且同一相绕组的相邻二个线圈绕制方向相反，即在跨过一定的电枢齿两边槽绕制同一相绕组的部分线圈，以三相绕组为例，即一相绕组(U相)在一个槽(槽1)和跨过二个槽(槽4)围绕电枢齿绕，绕到所需要的匝数后，再由该槽(槽4)跨过二个槽(槽7)间进行反方向绕制，如此保持同一相绕组的相邻二个线圈绕制方向相反直到绕制完毕，对于其他二相的绕组也是采用同样的绕组方式。各相绕组的一端分别到电机外的无刷电机驱动器上各自的功率驱动器件上，另一端在电机内部彼此相连。
带动绕组通电的功率驱动器件由IGBT复合全控型电压驱动式功率半导体器件组成，亦可采用大功率MOS管和其它大功率功率器件。
下面以排斥力转动方式(位置传感器位于该相线圈绕组朝向转动方向的后面)为例说明其工作原理，采用吸引驱动模式时位置传感器位于该相线圈绕组朝向转动方向的前面。
SW1转动/停止开关处于断开(转动)状态时，U13到U18每一个与门的其中一个输入端都处于高电平状态。
在本发明中如图8的无刷电机的驱动电路由可调控制转速的脉冲振荡器IC1产生出振荡脉冲输出到由IC2十进制计数器/脉冲分配器CD4017构成的三相六状态相序产生器，产生出D0，D1，D2，D3，D4和D5三相相序六状态高电平脉冲，而由霍尔元件H1，H2，H3，H4，H5，H6构成的磁性位置传感器(亦可以采用其它类型的感应磁性信号的位置传感器)分别产生出H1，H2，H3，H4，H5，H6信号并经反相器后分别输入到与门U1到U6，磁性位置传感器在当转子南极位于其附近时给出低电平信号，经反相器反相后输出高电平信号再与IC2十进制计数器/脉冲分配器CD4017构成的三相六状态相序产生器给出的D0，D1，D2，D3，D4和D5高电平脉冲在U1到U6相与。
驱动状态1：如图2当永磁体转子的其中一个南极在霍尔元件H1时，H1给出低电平经反相后给出高电平到U1的一个输入端，在IC2给出D0为高电平信号时，U1输出高电平，U1输出的高电平分二路，一路到U7与U6的信号相或后到U13输出高电平给三极管Q1使它导通，从而经SH1使光电耦合器IC5导通去驱动T1这个IGBT导通，U1给出的另一路高电平信号在U8与U2的输出信号进行相或后在U16与IC1输出的可变占空比的PWM信号相与后输出PWM驱动信号SL6去驱动T6这个IGBT导通，动力电源+V经T1流经U绕组到W再经T6到地，完成一次驱动，电流方向为T1到T6，由绕组U流入，绕组W流出。在图2上U绕组和W绕组的绕线方式和电流流向使电枢齿2和3产生南极S，驱动转子上的南极S1向电枢齿4转动，同时电枢齿5和6产生北极N吸引驱动转子上的南极S1向电枢齿4转动，同理，电枢齿5和6产生北极N驱动转子上的北极N1向电枢齿7转动，电枢齿8和9产生南极S吸引转子上的北极N1向电枢齿7转动，转子上全部南北极都处于转动方向后有同性磁极推斥，转动方向前有异性磁极吸引往前转动，完成第一次脉冲转动。
驱动状态2：经上次脉冲驱动后，转子南极转动到电枢齿2附近靠近霍尔元件H2时使H2给出低电平经反相后给出高电平到U2的一个输入端，在IC2给出D1为高电平信号时，U2输出高电平，U2输出的高电平分二路，一路到U9与U3的信号相或后到U14输出高电平给三极管Q2使它导通，从而经SH3使光电耦合器IC7导通去驱动T3这个IGBT导通，U2给出的另一路高电平信号在U8与U1的输出信号进行相或后在U16与IC1输出的可变占空比的PWM信号相与后输出PWM驱动信号SL6去驱动T6这个IGBT导通，动力电源+V经T3流经V绕组到W再经T6到地，完成一次驱动，电流方向为T3到T6，由绕组V流入，绕组W流出。在图3上V绕组和W绕组的绕线方式和电流流向使电枢齿3和4产生南极S，驱动转子上的南极S1向电枢齿5转动，同时电枢齿6和7产生北极N吸引驱动转子上的南极S1向电枢齿5转动，同理，电枢齿6和7产生北极N驱动转子上的北极N1向电枢齿8转动，电枢齿9和10产生南极S吸引转子上的北极N1向电枢齿8转动，转子上全部南北极都处于转动方向后有同性磁极推斥，转动方向前有异性磁极吸引往前转动，完成第二次脉冲转动。
驱动状态3：经第二次脉冲驱动后，转子南极转动到电枢齿3附近靠近霍尔元件H3时使H3给出低电平经反相后给出高电平到U3的一个输入端，在IC2给出D2为高电平信号时，U3输出高电平，U3输出的高电平分二路，一路到U9与U2的信号相或后到U14输出高电平给三极管Q2使它导通，从而经SH3使光电耦合器IC7导通去驱动T3这个IGBT导通，U3给出的另一路高电平信号在U10与U4的输出信号进行相或后在U17与IC1输出的可变占空比的PWM信号相与后输出PWM驱动信号SL2去驱动T2这个IGBT导通，动力电源+V经T3流经V绕组到U再经T2到地，完成一次驱动，电流方向为T3到T2，由绕组V流入，绕组U流出。在图4上V绕组和U绕组的绕线方式和电流流向使电枢齿4和5产生南极S，驱动转子上的南极S1向电枢齿6转动，同时电枢齿7和8产生北极N吸引驱动转子上的南极S1向电枢齿6转动，同理，电枢齿7和8产生北极N驱动转子上的北极N1向电枢齿9转动，电枢齿10和11产生南极S吸引转子上的北极N1向电枢齿9转动，转子上全部南北极都处于转动方向后有同性磁极推斥，转动方向前有异性磁极吸引往前转动，完成第三次脉冲转动。
驱动状态4：经过上面三次脉冲转动永磁体转子的其中一个南极到达霍尔元件H4时，H4给出低电平经反相后给出高电平到U4的一个输入端，在IC2给出D3为高电平信号时，U4输出高电平，U4输出的高电平分二路，一路到U11与U5的信号相或后到U15输出高电平给三极管Q3使它导通，从而经SH5使光电耦合器IC9导通去驱动T5这个IGBT导通，U4给出的另一路高电平信号在U10与U3的输出信号进行相或后在U17与IC1输出的可变占空比的PWM信号相与后输出PWM驱动信号SL2去驱动T2这个IGBT导通，动力电源+V经T5流经W绕组到U再经T2到地，完成一次驱动，电流方向为T5到T2，由绕组W流入，绕组U流出。在图5上W绕组和U绕组的绕线方式和电流流向使电枢齿5和6产生南极S，驱动转子上的南极S1向电枢齿7转动，同时电枢齿8和9产生北极N吸引驱动转子上的南极S1向电枢齿7转动，同理，电枢齿8和9产生北极N驱动转子上的北极N1向电枢齿10转动，电枢齿11和12产生南极S吸引转子上的北极N1向电枢齿10转动，转子上全部南北极都处于转动方向后有同性磁极推斥，转动方向前有异性磁极吸引往前转动，完成第四次脉冲转动。
驱动状态5：经第四次脉冲驱动后，转子南极转动到电枢齿5靠近霍尔元件H5使H5给出低电平经反相后给出高电平到U5的一个输入端，在IC2给出D4为高电平信号时，U5输出高电平，U5输出的高电平分二路，一路到U11与U4的信号相或后到U15输出高电平给三极管Q3使它导通，从而经SH5使光电耦合器IC9导通去驱动T5这个IGBT导通，U3给出的另一路高电平信号在U12与U6的输出信号进行相或后在U18与IC1输出的可变占空比的PWM信号相与后输出PWM驱动信号SL4去驱动T4这个IGBT导通，动力电源+V经T3流经W绕组到V再经T4到地，完成一次驱动，电流方向为T5到T4，由绕组W流入，绕组V流出。在图6上W绕组和V绕组的绕线方式和电流流向使电枢齿6和7产生南极S，驱动转子上的南极S1向电枢齿8转动，同时电枢齿9和10产生北极N吸引驱动转子上的南极S1向电枢齿8转动，同理，电枢齿9和10产生北极N驱动转子上的北极N1向电枢齿11转动，电枢齿12和13产生南极S吸引转子上的北极N1向电枢齿11转动，转子上全部南北极都处于转动方向后有同性磁极推斥，转动方向前有异性磁极吸引往前转动，完成第五次脉冲转动。
驱动状态6：经第五次脉冲驱动后，转子南极转动到电枢齿6靠近霍尔元件H6使H6给出低电平经反相后给出高电平到U6的一个输入端，在IC2给出D5为高电平信号时，U6输出高电平，U6输出的高电平分二路，一路到U7与U1的信号相或后到U13输出高电平给三极管Q1使它导通，从而经SH5使光电耦合器IC5导通去驱动T1这个IGBT导通，U6给出的另一路高电平信号在U12与U5的输出信号进行相或后在U18与IC1输出的可变占空比的PWM信号相与后输出PWM驱动信号SL4去驱动T4这个IGBT导通，动力电源+V经T1流经U绕组到V再经T4到地，完成一次驱动，电流方向为T1到T4，由绕组U流入，绕组V流出。在图7上U绕组和V绕组的绕线方式和电流流向使电枢齿7和8产生南极S，驱动转子上的南极S1向电枢齿9转动，同时电枢齿10和11产生北极N吸引驱动转子上的南极S1向电枢齿9转动，同理，电枢齿10和11产生北极N驱动转子上的北极N1向电枢齿12转动，电枢齿13和14产生南极S吸引转子上的北极N1向电枢齿12转动，转子上全部南北极都处于转动方向后有同性磁极推斥，转动方向前有异性磁极吸引往前转动，完成第六次脉冲转动。
往后重复脉冲一次转动到第六次脉冲转动的过程，形成电机转子的连续运转，每一次脉冲转动都是定子线圈上的电枢齿同时对转子上的全部南极和北极进行了驱动。
当停转开关SW1接通时，与门U13到U18的一个输入端为低电平，而使他们都输出为低电平，从而使T1到T6的MOS/IGBT驱动器都处于关断状态，电机停转。
图8中IC13由MC1555和外围元件产生比动力电源+V高15V左右的电源+VH供给光电耦合器用。
图8中的V1是与相序驱动脉冲相关的转动脉冲的频率调节器，由它对电机进行转动速度调节，V2用于调节脉冲宽度调制信号频率，V3调节脉冲宽度调制信号占空比。
图10是磁性位置传感器切换电路，H1’，H2’，H3’，H4’，H5’和H6’分别是由磁性位置传感器H1，H2，H3，H4，H5和H6给出的信号，电机向当转向切换开关SW2处于断开状态时，IC13和IC14的第一脚是高电平，输出状态是由B到Y，实现H1’到H1，H2’到H2，H3’到H3，H4’到H4，H5’到H5，H6’到H6信号传递，电机向一个方向转动；当转向切换开关SW2处于接通状态时，IC13和IC14的第一脚是低电平，输出状态是由A到Y，实现H4’到H1，H5’到H2，H6’到H3，H1’到H4.，H2’到H5，H3’到H6信号传递，电机向另一个方向转动。如果只需要单向转动，不用图8电路，直接将H1’与H1，H2’与H2，H3’与H3，H4’与H4，H5’与H5，H6’与H6分别相连接。
在具体的实施过程中，对于不同的定子槽数，磁性位置传感器可能会移动一个槽位以得到良好的运转效果。
在本发明的驱动电路中，脉冲宽度调制可以一直处于高占空比状态，转速的调节由转动脉冲的频率提供，而不是通常的PWM脉宽调速，PWM调制脉冲在各个速度上都保持较高的占空比，使其具有高效率和转速大范围保持高转距的特点。同时因位置传感器给出的信号和转动相序信号是相与关系，转子在转动过程中逐步达到与设定的转速同步。
由于本发明的转速和脉宽调制占空比是分别产生，在达到设定转速后，可以由人为方式和转速检测后由外界结合进行自动控制，在负载一定时以及减小时(如新能源电动车平地匀速行驶)在不影响及少影响转速情况下可以调节脉宽调制占空比减小达到进一步节能。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.精确驱动无刷电机和驱动器电路，包括电机和驱动电路，其特征在于：无刷电机定子线圈采用星型连接其驱动电路在每个状态时给多相绕组通电驱动，使转子每次转动单个电枢齿位置，并且采用转速调节与脉宽调制分开的方式，采用高占空比的固定脉宽，由改变转速脉冲频率的方式调节转速。
2.根据权利要求1所述的精确驱动无刷电机和驱动器电路，其特征在于：无刷电机的定子同一相绕组的相邻两个线圈绕向相反，各相绕组之间采用星形连接，其一个端头都在电机内相连，另一个端头引出电机外部，相数大于等于3。
3.根据权利要求1所述的精确驱动无刷电机和驱动器电路，其特征在于：无刷电机的永磁转子的磁极数量与相数和定子电枢槽数的关系是：定子电枢槽数等于永磁转子南北磁极之和的数量乘相数，相数大于等于3。
4.根据权利要求1所述的精确驱动无刷电机和驱动器电路，其特征在于：无刷电机定子每一相绕组使用二个磁性位置传感器。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的精确驱动无刷电机和驱动器电路，其特征在于：在每一个驱动状态驱动电流流经无刷电机定子的二相绕组。
6.根据权利要求1或权利要求2所述的精确驱动无刷电机和驱动器电路，其特征在于：各相绕组功率驱动器件由二组串联的复合全控型电压驱动式功率半导体器件组成的驱动器组成，无刷电机各相绕组的引出端分别接于各相绕组功率驱动器的中点上，每个功率驱动器的上下部控制端都分别由不同的信号控制，功率驱动器件亦可以采用大功率MOS场效应管。
7.根据权利要求1所述的精确驱动无刷电机和驱动器电路，其特征在于：驱动器电路中一相磁性位置传感器信号和同一相的相序驱动脉冲信号相与后和另一相磁性位置传感器信号和该相的相序驱动脉冲信号相或后去驱动功率驱动器件的上臂，该特征也可以用微控制单元加内部程序实现这相与功能。
8.根据权利要求1所述的精确驱动无刷电机和驱动器电路，其特征在于：驱动器电路中一相磁性位置传感器信号和同一相的相序驱动脉冲信号相与后和另一相磁性位置传感器信号和该相的相序驱动脉冲信号相或后再和频率为100赫兹到100千赫兹的脉冲调制信号或者直流高电平再进行相与去驱动功率驱动器件的下臂，该特征也可以用微控制单元加内部程序实现这相与功能和相或功能。
9.根据权利要求1所述的精确驱动无刷电机和驱动器电路，其特征在于：驱动器电路采用改变与相序驱动脉冲相关的转动脉冲的频率对电机进行转动速度调节，脉冲宽度调制信号用于调节驱动功率和辅助调节转动速度。
10.根据权利要求1所述的精确驱动无刷电机和驱动器电路，其特征在于：无刷电机转动方向采用切换位置传感器的方式实现。
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